复杂曲面数控加工的若干基础技术研究

【摘要】：在汽车大型覆盖件模具的生产制造过程中,由于大型覆盖件模具待加工型面面积大,铸件型面各处变形量不均匀,导致按常规方法对汽车大型覆盖件模具进行定位时不能解决模具的加工余量的均匀性问题,同时对模具进行粗加工时,刀具的空走刀路径很长,延长了模具的加工周期,使得汽车大型覆盖件模具生产厂家市场响应能力差,增加了模具厂家的生产成本,影响了企业在市场中的竟争能力。另外在加工中,由于刀具、机床等因素的影响,模具加工质量很难得到保证。因此对汽车大型覆盖件模具而言,粗加工以及加工精度是影响汽车大型覆盖件模具加工的瓶颈。为此,本文对汽车大型覆盖件模具的粗加工问题以及影响加工精度的问题进行了研究。首先要解决汽车大型覆盖件模具加工余量的均匀性问题,对于加工余量偏向待加工型面一侧的模具,通过对工件定位可以使得该问题得到解决。而对于待加工型面各处变形不同使得刀具空走刀路径较多的问题,本文采用研究待加工型面荒加工区域的方法来解决。三轴加工是汽车大型覆盖件模具加工最常用的加工方式,为提高其加工效率,对影响其加工效率的因素,如球头刀具切削时的受力以及加工时的工艺参数的设定进行了研究。由于汽车大型覆盖件模具待加工型面面积大,粗加工的工作量大,实际上在汽车大型覆盖件模具加工中,粗加工的工作量占整个模具数控加工时间的绝大多数时间,为尽量缩短模具的粗加工时间,因此本文也设定了超常规工艺参数来研究加工精度与刀具受力的关系。 本文的研究旨在结合汽车大型覆盖件模具数控加工的实际需要,以提高加工效率和加工精度为目标,对如何高效高精度进行汽车大型覆盖件模具复杂曲面数控加工的若干基础技术进行研究,具体研究了如下内容: 1)曲面匹配是数字化加工与检测的基础,在自由曲面产品的加工制造和检测中有着非常重要的应用(如定位安装等)。本文研究了离散三角网格曲面的精确配准算法,计算中将“点-点”对齐法和“点-面”对齐法结合使用进行精匹配,对同一待匹配点,“点-点”对齐法和“点-面”对齐法所求出的配对点中距离较小者即为所求。在搜寻待匹配测量点的最近点时提出了直接以待匹配测量点为中心的动态球搜索算法,可在设计曲面离散数据点中快速搜寻到距离测量点的最近点,使算法效率显著提高。 研究了设计曲面离散三角网格面数据与三维测量数据的精确匹配方法,主要对改变测量数据测量噪声的大小、取点数目和取点位置对曲面匹配效果的影响进行了研究。通过对测量数据实施缩减,进一步提高了处理海量点云的配准(registration)效率。提出采用几种指标来度量配准精度,使用模拟数据(包括含噪声情况)进行了实例计算。实例计算表明:当测量数据点的密度与设计曲面离散数据点的密度相同且密度较密集时,匹配结果较全面、准确地反映了曲面匹配的实际情况;匹配结果中的最大偏差、最小偏差应视为曲面匹配中的特殊情况,而曲面匹配中的平均偏差能反映曲面匹配结果与测量噪声、数据点位置以及数目的关系。曲面匹配中的最大偏差、平均偏差随测量噪声的增大而增大。 2)对型面加工余量倾向一侧的模具,通过定位安装,将型面的部分加工余量转移到模具底面加工,减少模具型面的加工工作量,提高模具型面的数控加工效率。 3)当沿模具型面进行荒加工时,由于曲面毛坯各处变形不同、余量分布不均匀导致加工时空走刀刀具路径多,严重影响数控加工的效率,本文提出构造荒加工区域的方法来解决这个问题。本文采用小三角网格面片来近似设计曲面,将毛坯测量点投影在零件型面等距面的离散三角网格面片上来获得有效的荒加工区域。在计算中,将复杂的空间曲面求交问题简化为较为简单的与z轴平行的竖直线与离散曲面三角网格面片的求交问题,并采用长方形替代包容“荒岛”的最小凸包,可剔除无用的空走刀路径,不仅简化了刀具轨迹的排列,而且计算结果也表明了算法的简洁、有效。 4)根据铣削力与切削面积之间的关系,并考虑实际加工中影响切削力的主要因素,提出了球头铣刀的三轴铣削力模型。结合实验并采用多项式回归分析方法提出了求取铣削力系数的计算方法。应用实例进行了验证,计算结果和实验结果表明模型和实际具有一定的适应性。模型为球头铣刀在小切深工况时正确选用切削参数提供了理论依据,有利于高效高精度数控加工的顺利进行。 5)数控加工中切削参数的合理选择是影响高效加工的关键技术指标之一,本文基于实际加工中的具体约束条件采用遗传算法进行了参数选择,并用实例进行了验证。 6)加工汽车大型覆盖件模具型面时,因工件和机床刚度很大,当机床工艺参数值超过常规值时,必须考虑刀具变形引起的加工误差。经实验证实,本文提出的考虑刀具变形敏感度引起的误差模型与实际测量误差较为接近。